第二章 方案設計
本章闡述柔性速度補償?shù)母拍詈驮O計原理，描述設計流程。并以沖壓機械為應用對象，設計一種柔性速度補償裝置，試圖通過該裝置的設計體現(xiàn)柔性速度補償這一理念的正確性。設計過程中關鍵部分是對機構(gòu)的選型，只有選擇的機構(gòu)既能滿足適度柔性的設計要求，也滿足速度補償時所針對的工況的要求，才能完成速度補償?shù)娜蝿�。本章是柔性速度補償裝置設計的基礎。
§2.1概念的闡述
從運動學角度來看，一部機器實際上包括三個部分，即輸入運動、機構(gòu)和輸出運動，機器的柔性化具體表現(xiàn)在具有可編程的輸出運動能力。
因此，為獲取可編程的輸出運動，在機構(gòu)學層次上，可以從輸入和機構(gòu)兩個環(huán)節(jié)引入可控性。在機械發(fā)展的歷史上，有直接通過控制原動機來控制輸出的，如緒論中所述的汽車調(diào)速器等。但是，對原動機控制比較復雜且成本較高。因此很多設計者把獲取運動柔性的努力集中在機構(gòu)的環(huán)節(jié)上，如采用多自由度機構(gòu)等。而且隨著驅(qū)動技術的發(fā)展，各類新型可控驅(qū)動器為設計者提供了引入柔性的新途徑。
在運動輸入方式上，有純機械式的，如緒論中提到的非圓齒輪變速系統(tǒng)；還有加入計算機控制或伺服驅(qū)動技術的，其運動柔性的設計空間大大擴展，設計方法也更復雜多樣。
本文綜合考慮多種方式和各類因素，采用常速電機和伺服動機混合驅(qū)動的方式，從運動機構(gòu)入手，利用多自由度機構(gòu)引入運動可控性，針對執(zhí)行機構(gòu)輸出速度的波動，通過控制電機和機構(gòu)的協(xié)調(diào)配合，達到柔性速度補償?shù)哪康摹?br>
在充分研究可調(diào)整機構(gòu)、混合驅(qū)動機器和變速輸入伺服系統(tǒng)的一些研究成果后，交叉融合了他們的一些優(yōu)勢特點，提出柔性速度補償?shù)母拍�，它是這樣一類機器：是針對執(zhí)行機構(gòu)的負載引起的速度波動進行適度柔性補償?shù)囊活悪C器，它不是調(diào)節(jié)原動機和執(zhí)行機構(gòu)，而是在兩者之間單獨設計一個調(diào)速單元，這一單元由機械部分和控制部分組成，機械部分為一多自由度機構(gòu)，由常速電機和伺服電機分別驅(qū)動，控制部分包括信息處理系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)，當原執(zhí)行機構(gòu)的輸出速度產(chǎn)生波動時，檢測系統(tǒng)和控制器檢測判斷波動的大小、位置等數(shù)據(jù)，如果超過允許范圍時，由控制器控制伺服電機動作，經(jīng)控制系統(tǒng)和多自由度機構(gòu)實時協(xié)調(diào)配合，以產(chǎn)生一個反向速度波，和原速度波正好疊加抵消，達到適度柔性的速度補償目的，最終為執(zhí)行機構(gòu)提供一較平穩(wěn)的速度輸入。
該類機器特點是：
(l）基本不改變原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。原系統(tǒng)的原動機、執(zhí)行機構(gòu)都不變，只在兩者之間另設計一調(diào)速單元，這樣不影響原系統(tǒng)的各項參數(shù)和性能，滿足原機械設計時所提出的運動、動力、強度以及空間等各方面的要求和限制。
(2）適當?shù)娜嵝暂敵瞿芰�。由于適度柔性機器的特性比較適合這一概念，所以集成了可調(diào)整機構(gòu)、混合動力機器和變速輸入伺服驅(qū)動機構(gòu)的一些特性，設計的調(diào)速單元無須調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過控制器控制調(diào)速單元即可輸出不同的運動規(guī)律。
(3）自適應能力。機構(gòu)難以適應自身參數(shù)的漂移或外部工況的變化，雖然可以利用優(yōu)化技術獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是誤差、磨損、工藝調(diào)整等諸多因素都可能導致其性能偏離最佳狀態(tài)。柔性速度補償系統(tǒng)則可以通過傳感器進行實時監(jiān)測，反饋給計算機重新調(diào)整輸入速度函數(shù)，以變應變。
柔性速度補償單元由兩部分組成，包括機械運動子系統(tǒng)、信息處理及控制子系統(tǒng)，其中后者又包括信息處理與控制、傳感檢測兩部分。其邏輯組成如圖2-l所示。
§2.2柔性速度補償裝置的組成和設計
由上述柔性速度補償?shù)母拍�，可以針對不同應用有不同的設計，特別是多自度機構(gòu)的類型有多種，因此可以設計出多種形式的速度補償機器。本文以沖壓機械為應用對象，針對沖壓機械載荷特點，設計一種柔性速度補償裝置。
該裝置是以上柔性速度補償概念的一種具體化，以驗證這一概念的可行性甚至優(yōu)越性。
在這里該柔性速度補償裝置的特點可以簡述為，實質(zhì)是一個二自由度機構(gòu)，用一個等速電機驅(qū)動一個輸入構(gòu)件，而另用一個伺服電機對另一輸入構(gòu)件進行控制與調(diào)整，控制器和檢測系統(tǒng)判斷原執(zhí)行機構(gòu)速度波動的狀況，根據(jù)波動情況實時控制伺服電機對二自由度機構(gòu)的輸入速度和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整，得到可控制的速度波，以和原執(zhí)行機構(gòu)的速度波疊加抵消，得到理想的速度輸出。
2.2.1組成原理
該柔性速度補償裝置設計為二個獨立的單元，安裝在減速器和執(zhí)行機構(gòu)之間。如圖2-2所示，簡單而言其組成包括：一個二自由度機構(gòu)、一個伺服電機、一個控制器以及三套編碼器�？刂破魍ㄟ^編碼器監(jiān)控二自由度機構(gòu)的輸出軸（即執(zhí)行機構(gòu)的輸入軸）的速度，若速度波動超過預設的許用值，則控制伺服電機調(diào)整二自由度機構(gòu)的一個輸入，從而實現(xiàn)速度波動的柔性補償。
2.2.2設計流程
該柔性速度補償裝置的設計思路是：基于對沖壓機械某一類運行工況的分析選擇合適類型的二自由度機構(gòu)，選型原則是在伺服電機所控制的輸入構(gòu)件保持固定不動的情況下，該機構(gòu)作為一個單自由度變傳動比機構(gòu)將產(chǎn)生一個反向的速度波動以最大限度的抵消原來的速度波動；在此基礎上，控制器通過伺服電機對二自由度機構(gòu)的一個輸入進行微調(diào)，若機械自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)或外部的運行工況發(fā)生變化，則重新調(diào)整使速度波動的幅度始終保持在許可范圍內(nèi)。
該柔性速度補償裝置的設計流程如圖2-3所示，包括以下步驟：
步驟1、就某一類工況，對其中典型的負載特征，測出機械的實際運行速度和加速度，采集數(shù)據(jù)進行分析與處理。
步驟2、針對該運行工況選擇合適類型的二自由度機構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)設計。
步矛3、控制伺服電機 對二自由度機構(gòu)的一個輸入進行微調(diào)，補償速度波動。
步驟4、傳感器檢測的實際運行速度，若不超過速度波動許用范圍，則當前運動周期結(jié)束，進入下一個周期；否則，繼續(xù)控制伺服電機進行速度補償。
本論文在設計該柔性速度補償裝置的整個過程中，各個環(huán)節(jié)都是嚴格按這一程序推進的。
§2.3機構(gòu)選型
該柔性速度補償裝置可分為機械部分和控制部分，機械運動系統(tǒng)的選擇適當，才能為機器功能的柔性化提供可能，它是柔性化得以實現(xiàn)的物質(zhì)基礎，因此機構(gòu)的選型設計是整個機械設計中的重要一環(huán)。作為一部機器，其機械運動是功能實現(xiàn)的核心手段，而機構(gòu)是機械運動的載體�，F(xiàn)代機器很多時候需要在功能上增強柔性，計算機技術和伺服驅(qū)動技術的進步為機器的柔性化功能提供了更多的可能，而同時，機械運動系統(tǒng)和機構(gòu)學自身的發(fā)展是機器功能柔性化的重要依托。由此可見，機構(gòu)選型是該柔性速度補償裝置整體設計中很關鍵的部分。
2.3.1機構(gòu)的創(chuàng)新設計方法
通常一些有經(jīng)驗的工程師可以通過自己的經(jīng)驗來設計機械，當工程師面對一項計劃時，經(jīng)驗是產(chǎn)生設計概念的最佳方法。
沒有經(jīng)驗的工程師可以從傳統(tǒng)的理性化方法出發(fā)來解決問題，通過分析現(xiàn)有設計、資料收集和檢核表方法，以及通過閱讀、思索、觀察修理裝置，研究眾多產(chǎn)品的工作原理等途徑來獲取經(jīng)驗。
此外，還可以應用創(chuàng)造性設計法，如屬性列舉法、型態(tài)表分析法和腦力激蕩術，來輔助在概念設計階段產(chǎn)生構(gòu)想。
本文則采用顏鴻森與黃以文提出的一套程序化的創(chuàng)造性設計法來完成設計，它可用于系統(tǒng)地構(gòu)想出符合特定設計要求與約束，并與可行的現(xiàn)有設計完成相同或相似任務的機械裝置全部可能的拓撲構(gòu)造。
設計流程如圖2-4所示，主要的步驟如下：
(1）一般化，是指將具有機件和運動副的原始機械裝置，轉(zhuǎn)化為只有一般化連桿和一般化（運動）副的機構(gòu)，這樣形成的閉環(huán)鏈稱為一般化（運動）鏈。
(2）數(shù)綜合，是綜合出與原始一般化鏈的桿數(shù)及運動副數(shù)相同的全部可能的一般化鏈，歸納出它的拓撲構(gòu)造，組成圖譜。
(3）特定化，是分配類型的機件和運動副至每個可行的一般化鏈，以找出符合特定設計要求的特定化鏈。
(4）具體化，將每種可行的特殊化運動鏈轉(zhuǎn)換成所對應的機構(gòu)簡圖，以獲得可行的機構(gòu)。
總之，依據(jù)這一設計流程，一按照設計要求和約束，確定出來的機構(gòu)就是一種具有創(chuàng)造性的機構(gòu)。
2.3.2選型方案
根據(jù)柔性速度補償裝置的設計特點和沖壓機械的載荷特征，認為選型原則是，在伺服電機所控制的輸入構(gòu)件保持固定不動的情況下，該機構(gòu)作為一個單自由度變傳動比機構(gòu)就可產(chǎn)生一個反向的速度波動，以最大限度的抵消原來的速度波動，只在參數(shù)或工況變化時，伺服電機才動作，提供補償運動，驅(qū)動第二輸入進行微調(diào)。
按照設計要求，首先選擇二自由度機構(gòu)。
對于二自由度的裝置：
簡單（5,5）運動鏈有l(wèi)個；((5,5）表示5桿5副，下同）
簡單（7,8）運動鏈有3個；
簡單（9,11）運動鏈有40個……
對于（5,5）來說，只有一種連接方式，作為一種混合動力驅(qū)動系統(tǒng)已有人做過研究，在本論文中，不能滿足設計要求，因此不可��；而（9,11）及以上又有40個（或更多）運動鏈之多，且構(gòu)件多結(jié)構(gòu)復雜，研究起來非常困難，暫不考慮；先考慮（7,8）七桿八副機構(gòu)，其構(gòu)建數(shù)量不是太多，結(jié)構(gòu)不是太復雜，共有3個運動鏈（如圖2-5),特定化后又有11種（排除同構(gòu)的機構(gòu)）特定化導出機構(gòu)，可以從中選擇可能適合的方案，因此以下將對（7，8）來詳細分析研究。
由（1）圖，取不同的構(gòu)件為機架，經(jīng)過特定化后，可轉(zhuǎn)化為三種導出機構(gòu)，如圖2-6。
由（2）圖，取不同的構(gòu)件為機架，經(jīng)過特定化后，可轉(zhuǎn)化為四種導出機構(gòu)，如圖2-7。
由（3）圖，取不同的構(gòu)件為機架，經(jīng)過特定化后，也可轉(zhuǎn)化為四種導出機構(gòu)，如圖2-8。
經(jīng)過對以上11種機構(gòu)的分析比較，并參考一些實際設計結(jié)構(gòu)，認為可以有以下三種備選方案。
方案一：將（3）-（a）一般化鏈的所有連桿標號，再分配其中三副桿1作為機架，哪圖2-9（a）所示，這樣特定化后，再進一步轉(zhuǎn)化為（b）圖所示的裝置，連桿5改為滑塊，桿2作為第一輸入，第二輸入可以設定是滑塊5在桿4上的移動，可由伺服電機驅(qū)動，桿7作為輸出桿，可以滿足設計的初步要求。
經(jīng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)類似于該機構(gòu)，L.C.Dulger等人已經(jīng)做過一些研究，而且也以沖壓機械為應用對象，在他們的一篇文章里有比較詳細的介紹，模型結(jié)構(gòu)如圖2-10，但因為應用情況不同，本文不宜采用這種機構(gòu)。
方案二：同樣，將圖（1）-（b）的一般化運動鏈，如圖2-11所示，特定化后，轉(zhuǎn)化為右邊（b）圖的平行機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖，桿1為輸入桿，三副桿設計為一螺旋桿，和固定于地面的螺旋滑塊連接，由伺服電機驅(qū)動，這樣桿3的長度可調(diào)，從而作為輸出的桿6輸出速度可調(diào)。
這種平行桿機構(gòu)理論上正確，但是實際上運行時會產(chǎn)生奇異，不能實際采用，因此轉(zhuǎn)化為如圖2-12所示的這種中心對稱的連桿機構(gòu)。并在adams軟件下建立了模型如圖2-13，經(jīng)分析認為該機構(gòu)完全對稱的結(jié)構(gòu)特征，更適合于一般情況下的速度等速傳遞，不適合在沖壓工況下應用，所以這種結(jié)構(gòu)也決定不采用。
方案三：在眾多已有機構(gòu)類型篩選當中，發(fā)現(xiàn)機構(gòu)式脈動無級變速器中的一種：三相并列連桿式（GUSA）脈動無級變速器采用的機構(gòu)可以供鑒。這咱變速器設計原理為：采用三相并列結(jié)構(gòu)，作為輸入機構(gòu)的是相位差為120度的三曲拐曲軸，每個曲拐帶動一套Ⅲ級七桿機構(gòu)，如圖所示是（7,8）圖譜中（1）的一種同構(gòu)機構(gòu)，圖2-14顯示了它的轉(zhuǎn)化和各桿件的標號，可以與圖2-15結(jié)構(gòu)簡圖——對應。
圖2-15顯示是其中一套傳動機構(gòu)的機構(gòu)簡圖，該機構(gòu)有兩自由度，動力機驅(qū)動曲柄l，作為“輸入1”,“輸入2”是一螺旋機構(gòu)，將輸入的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為桿7的往復運動，改變滑塊3在水平方向的位置，從而改變機構(gòu)的桿長比例，使得桿5的輸出速度發(fā)生變化，達到變速的目的。桿5是擺動桿，且輸出速度并不平穩(wěn)，所以變速器是由三套連桿機構(gòu)以相位差120度三相組成，桿5又兼做超越離合器的外環(huán)，經(jīng)超越離合器濾波后產(chǎn)生一較平穩(wěn)單向脈動轉(zhuǎn)動輸出，輸出軸的瞬時轉(zhuǎn)速等于三相七桿機構(gòu)中與輸出軸的相對轉(zhuǎn)才最大的搖桿擺動角速度，如圖2-16所示。
受此啟發(fā)，并基于可調(diào)整機構(gòu)的原理，經(jīng)過適當?shù)恼{(diào)整，如圖2-17所示，認為圖2-18所示的連桿機構(gòu)可以滿足設計需求。
“輸入1”不變，“輸入2”改為伺服馬達驅(qū)動，并修改結(jié)構(gòu)將桿1和桿5均設計為曲柄，將滑塊6調(diào)整到桿5上，保證雙曲柄存在，這樣單相即可，也不需離合器；又因柔性速度補償裝置僅作速度補償，不承擔減速的任務，故采用對稱結(jié)構(gòu)，這樣桿5的輸出速度和桿1的輸入速度相差不大，保證速度基本是等速傳遞的。工作時，根據(jù)分析設定滑塊3的初始位置，使桿5輸出一個反向的速度波，可選擇性地抵消原機械產(chǎn)生的速度波。若機械參數(shù)或運行工況發(fā)生變化，則控制伺服馬達調(diào)整輸入2，滑塊3左右移動，進行微調(diào)。從而，通過兩臺電機的耦合作用及與機構(gòu)的恰當配合產(chǎn)生一理想的速度波動，與原速度波相互抵消，使輸出速度保持在許用的波動幅度范圍內(nèi)。
則該裝置的工作原理可簡述為：輸入1為常速電機驅(qū)動，輸入2由伺服電機驅(qū)動，再通過螺旋傳遞裝置轉(zhuǎn)化為滑塊3的往復運動，通過控制的指令，滑塊3可以以不同的速度和方向往復運動，從而導致機構(gòu)的桿長比例發(fā)生變化，使得輸出桿5的輸出速度發(fā)生變化，實現(xiàn)運動的可控性，達到柔性速度補償?shù)哪康摹?br>
§2.4本章小節(jié)
在本章中，首先闡述了柔性速度補償?shù)母拍�，提出針對沖壓機械的一種柔性速度補償裝置的設計原理，描述了設計程序流程。然后指出在設計過程中機構(gòu)選型是關鍵部分，并提出三種備選方案，經(jīng)過比較分析，認為從機械無級變速器轉(zhuǎn)化而來的一種二自由度七桿機構(gòu)是比較符合設計要求的構(gòu)型。
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